一种单目视觉定位方法

1.本发明涉及计算机视觉定位技术领域，具体为一种单目视觉定位方法。


背景技术：

2.随着人工智能技术的突飞猛进，基于深度学习的目标检测、目标跟踪等技术越来越成熟，监控摄像头中目标在屏幕中的像素位置相对比较容易获取，在屏幕中实现目标跟踪也变得比较容易。然而跨摄像头实现目标跟踪时就需要获取连续的地理坐标信息，这就需要将屏幕像素坐标不断转换成bim(建筑信息模型)下的世界坐标信息，因此基于位置的服务受到越来越多的关注。
3.为保障行人在室内、园区、广场等场所的人身安全，管理人员需要时刻掌握各个区域位置的情况及数据信息，在第一时间内做出对应的处理措施用以避免不必要的损失，基本都会在这些区域覆盖安装一定数量的监控摄像头实时监控，基于监控摄像头也仅仅只能获取它在屏幕中的位置坐标，却不能准确找到在真实空间中的地理位置，尤其是在目标跨摄像头移动时就变得愈加困难。
4.使用基于深度学习的目标检测算法是常用获取目标像素位置的方法。在实际工程项目中我们更多的是需要目标的地理位置，在bim(建筑信息模型)中需要目标的地理坐标才能实现对目标的连续跨镜追踪定位，因此需要把屏幕中像素坐标转换成空间中地理坐标即可实现对目标的定位追踪，为此我们提出了一种单目视觉定位方法。


技术实现要素：

5.(一)解决的技术问题
6.针对现有技术的不足，本发明提供了一种单目视觉定位方法，解决了上述的问题。
7.(二)技术方案
8.为实现上述所述目的，本发明提供如下技术方案：一种单目视觉定位方法，包括以下步骤：
9.第一步：在需要定位区域安装调试好监控摄像头阵列，调整监控摄像头参数使得监控摄像头区域重叠部分尽可能小或者全域无重叠覆盖；
10.第二步：基于需要定位的区域构建坐标系uov标定监控摄像头的位置坐标；
11.第三步：以像素坐标系为基准转换到世界坐标系；
12.第四步：目标位置的世界坐标转换到真实空间下的地理位置坐标。
13.优选的，第二步在进行像素坐标系到世界坐标系转换的过程中分以下情况：测量位置在像素坐标系的x轴上而无y轴分量以及测量位置在像素坐标系的任意位置。
14.优选的，测量位置在像素坐标系的y轴上而无x轴分量包括以下内容
15.通过测量以及相机标定，可以得到参数：相机高度h
16.(1)图像中心o1对应的世界坐标点m与相机在y轴上的距离o3m；
17.(2)相机焦距f；
18.(3)像素u坐标与图像x坐标的转换系数dx；
19.(4)像素v坐标与图像y坐标的转换系数dy；
20.(5)光心在图像上的像素坐标o1(u0，v0)；
21.(6)测量点p1的像素坐标(u0，v)；
22.计算测量点p1对应的世界坐标点p的y轴坐标：
23.(2)光轴o1m与y轴的夹角
24.(3)光轴o1m垂直于感光板，同时垂直于图像平面，所以o1o2垂直于o1p1，光轴o1m与直线p1p的夹角
25.(3)直线p1p与y轴的夹角β＝α-γ；
26.(4)距离
27.(5)点p的y轴坐标为o3p；
28.(6)点p的世界坐标(0，)。
29.优选的，测量位置在像素坐标系的任意位置包括以下内容：
30.测量点q1的像素坐标为(u，v)，计算测量点q1对应的世界坐标点q的坐标：
31.s1：按照一中方法求出q1对应的世界坐标点q的y轴坐标o3p；
32.s2：角形o2o1p1为直角三角形，∠o2o1p1为直角。距离
33.s3：距离
34.s4：δo2q1p1∽δo2qp，可得
35.s5：距离
36.s6：点q的x轴坐标为
37.s7：点q的世界坐标为
38.优选的，像素-相机坐标系和地理位置坐标系之间四种关系：
39.(4)像素-相机坐标系和地理位置坐标系坐标轴相互平行；
40.(5)像素-相机坐标系y轴反向延长线经过地理位置坐标系原点；
41.(6)像素-相机坐标系x轴反向延长线经过地理位置坐标系原点；
42.(4)像素-相机坐标系和地理位置坐标系坐标轴位置随意。
43.优选的，基于(1)的地理坐标(x
′
,y
′
)为：
44.x
′
＝x+v；
45.y
′
＝y+u；
46.基于(2)的地理坐标(x
′
,y
′
)为：
47.x
′
＝v+o3c；
48.y
′
＝u+o3d；
[0049][0050][0051][0052][0053]
基于(3)的地理坐标(x
′
,y
′
)为：
[0054]
x
′
＝v+o3c；
[0055]y′
＝u+o3d；
[0056][0057][0058][0059][0060]
基于(4)的地理坐标(x
′
,y
′
)为：
[0061]
x
′
＝v+o3c；
[0062]y′
＝u+o3d；
[0063][0064][0065][0066][0067]
(三)有益效果
[0068]
与现有技术相比，本发明提供了一种单目视觉定位方法，具备以下有益效果：
[0069]
1、该单目视觉定位方法，在基于(1)摄像头安装后位置固定；(2)摄像头参数焦距、视角固定或者使用时可实时获得相应参数；(3)监控摄像头覆盖区域重叠部分尽可能小或者全域无重叠覆盖，这三个假设前提条件下，能够做到即使在跨摄像头情况下也能实现目标从屏幕下的像素坐标转换到空间中的世界坐标再到地理坐标的转换。
附图说明
[0070]
图1为本发明小孔成像模型示意图；
[0071]
图2为本发明监控摄像头阵列示意图；
[0072]
图3为测量点对应的世界坐标点在xo3y平面的y轴上示意图；
[0073]
图4为测量点在图像上任意位置的情形示意图；
[0074]
图5为像素-相机坐标系和地理位置坐标系之间四种关系示意图；
[0075]
图6为构建坐标系关系示意图；
[0076]
图7为构建摄像头地理坐标系uov示意图。
具体实施方式
[0077]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0078]
请参阅图1-7，一种单目视觉定位方法，包括以下步骤：
[0079]
基于以下三个假设：摄像头安装后位置固定；摄像头参数焦距、视角固定或者使用时可实时获得相应参数；监控摄像头全域无重叠覆盖或者覆盖区域重叠部分尽可能小。
[0080]
第一步：在需要定位区域安装调试好监控摄像头阵列，调整监控摄像头参数使得监控摄像头区域重叠部分尽可能小或者全域无重叠覆盖，调整好摄像头后固定监控摄像头参数以及位置，如图2所示。
[0081]
第二步：基于需要定位的区域构建地理(世界)坐标系uov标定监控摄像头的位置坐标，图2示意图中选择监控摄像头c1～c6分别标定其固定底座位置坐标(x1，y1)，(x2，y2)，(x3，y3)，(x4，y4)，(x5，y5)，(x6，y6)以及摄像头光心到地面的高度h1，h2，h3，h4，h5，h6。
[0082]
第三步：为解决目标从屏幕中的像素坐标到世界坐标的转换，本发明构建显示器屏幕中的像素坐标系xo1y、地理空间中的世界坐标系xo3y、屏幕坐标系uov，屏幕坐标系uov以左上角为起始原点o、像素坐标系xo1y以中心位置为起始原点o1，它们之间的转换可通过简单的平移变换得到，因此在这里以像素坐标系xo1y为基准转换到世界坐标系xo3y。
[0083]
在进行像素坐标系到世界坐标系转换的过程中分以下三种情况：
[0084]
(1)测量位置在像素坐标系的y轴上而无x轴分量；
[0085]
(2)测量位置在像素坐标系的x轴上而无y轴分量；
[0086]
(3)测量位置在像素坐标系的任意位置；
[0087]
其中(1)、(2)这两种情况可以归纳合并为一种情况，因此选择(1)测量位置在像素坐标系的y轴上而无x轴分量、(3)测量位置在像素坐标系的任意位置这两种情况给出坐标转换推导过程。
[0088]
1.测量位置在像素坐标系的y轴上而无x轴分量
[0089]
这是一种相对比较简单的情形，此时测量点对应的世界坐标点在xo3y平面的y轴上。示意图如图3所示。
[0090]
通过测量以及相机标定，可以得到参数：相机高度h
[0091]
注：h：相机光心到水平地面的竖直高度
[0092]
(1)图像中心o1对应的世界坐标点m与相机在y轴上的距离o3m；
[0093]
(2)相机焦距f；
[0094]
(3)像素u坐标与图像x坐标的转换系数dx；
[0095]
(4)像素v坐标与图像y坐标的转换系数dy；
[0096]
(5)光心在图像上的像素坐标o1(u0，v0)；
[0097]
(6)测量点p1的像素坐标(u0，v)；
[0098]
下面计算测量点p1对应的世界坐标点p的y轴坐标：
[0099]
(3)光轴o1m与y轴的夹角
[0100]
(4)光轴o1m垂直于感光板，同时垂直于图像平面，所以o1o2垂直于o1p1，光轴o1m与直线p1p的夹角
[0101]
(3)直线p1p与y轴的夹角β＝α-γ；
[0102]
(4)距离
[0103]
(5)点p的y轴坐标为o3p；
[0104]
(6)点p的世界坐标(0，)；
[0105]
1.测量位置在像素坐标系的任意位置
[0106]
现在考虑测量点在图像上任意位置的情形，示意图如图4所示。
[0107]
测量点q1的像素坐标为(u，v)，其他参数与图2中相同。下面计算测量点q1对应的世界坐标点q的坐标：
[0108]
(1)按照一中方法求出q1对应的世界坐标点q的y轴坐标o3p；
[0109]
(2)三角形o2o1p1为直角三角形，∠o2o1p1为直角。距离
[0110]
(3)距离
[0111]
(4)δo2q1p1∽δo2qp，可得
[0112]
(5)距离
[0113]
(6)点q的x轴坐标为
[0114]
(7)点q的世界坐标为
[0115]
第四步：目标位置的世界坐标转换到真实空间下的地理位置坐标。
[0116]
如图5所示，像素-相机坐标系和地理位置坐标系之间四种关系：
[0117]
(7)像素-相机坐标系和地理位置坐标系坐标轴相互平行，如图5-(a)图所示；
[0118]
(8)像素-相机坐标系y轴反向延长线经过地理位置坐标系原点o，如图5-(b)图所示；
[0119]
(9)像素-相机坐标系x轴反向延长线经过地理位置坐标系原点o，如图5-(c)图所示；
[0120]
(10)像素-相机坐标系和地理位置坐标系坐标轴位置随意，如图5-(d)图所示；
[0121]
在第三步中，已经可以求得a点的世界坐标(x，y)
[0122]
第一种情况最简单，也是我们在实际场景中最期望的构建坐标系关系，如图6-(a)所示，则a点的地理坐标(x
′
,y
′
)为：
[0123]
x
′
＝x+v
[0124]y′
＝y+u
[0125]
第二种情况如图6-(b)所示，则a点的地理坐标(x
′
,y
′
)为：
[0126]
x
′
＝v+o3c
[0127]y′
＝u+o3d
[0128][0129][0130][0131][0132]
第三种情况如图6-(c)所示，则a点的地理坐标(x
′
,y
′
)为：
[0133]
x
′
＝v+o3c
[0134]y′
＝u+o3d
[0135][0136][0137][0138][0139]
第四种情况如图6-(d)所示，则a点的地理坐标(x
′
,y
′
)为：
[0140]
x
′
＝v+o3c
[0141]y′
＝u+o3d
[0142]
[0143][0144][0145][0146]
基于以上实施的结果是单目视觉定位方法，成功把显示器上某点位置的像素坐标转换到地理空间上的世界坐标，有了某点位置的世界坐标就可以和bim(建筑信息模型)结合实现对室内、园区、广场的目标跨镜定位。
[0147]
以某广场行人跟踪为例，在该区域部署安装调节固定好摄像头c1～c6，要求摄像头全域无重叠覆盖或者覆盖区域重叠部分尽可能小，构建摄像头地理坐标系uov，如图7所示。第一，构建摄像头地理坐标系并对该区域摄像头完成标注；第二，某行人在该区域从a点出发依次经过b、c、d、e、f、g点并获取该行人在这些点的像素坐标(注：这些点在这里仅仅是示例，在实际操作中是密集采样)，获取这些点像素坐标的其中一种方法可以是基于深度学习的目标检测；第三，将采样点的像素坐标转换到世界坐标；第四步，将世界坐标转换到地理空间坐标。此次示例行人在所经过的路线中出现在摄像头c4、c3、c1、c2中，此次所行进的路线获取到地理空间坐标，即实现对行人跨镜追踪。
[0148]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。